石英陶瓷是利用特殊加工手段生產(chǎn)工藝制作的非晶態(tài)二氧化硅的燒結(jié)體，具有優(yōu)良的抗熱沖擊性。
另外，石英陶瓷坯體收縮低于6%，容易制成尺寸準(zhǔn)確的制品，是具有良好開(kāi)發(fā)利用前景的耐熱陶瓷材料。如果單純以石英玻璃廢料或熔融石英為原料，依照傳統(tǒng)工藝不能制成致密的陶瓷燒結(jié)體，即吸水率低于2%的石英陶瓷。大尺寸方形石英陶瓷坩堝是太陽(yáng)能電池用多晶硅鑄錠生產(chǎn)用的主要消耗材料，由于使用條件極其苛刻，對(duì)坩堝的純度、強(qiáng)度、外觀缺陷、內(nèi)在質(zhì)量、高溫性能、熱振穩(wěn)定性、尺寸精度都有極其嚴(yán)格的要求。國(guó)際上唯一掌握石英陶瓷注漿成型和注凝成型技術(shù)的廠家是美國(guó)的一家公司，因此國(guó)內(nèi)僅有的幾家擁有多晶硅鑄錠爐的廠家都依賴進(jìn)口，單只坩堝價(jià)格高達(dá)700美元以上，年產(chǎn)量10MW硅片生產(chǎn)廠采用四臺(tái)240kg鑄錠爐需消耗668只石英陶瓷坩堝計(jì)算。按現(xiàn)有國(guó)內(nèi)產(chǎn)能測(cè)算，需進(jìn)口坩堝數(shù)量達(dá)6800多只，擴(kuò)能后總需求量可達(dá)15000多只。許多廠家正在研究一種能使石英陶瓷坩堝結(jié)構(gòu)致密均勻，整體均勻性能好，制品熱穩(wěn)定性好及鑄錠過(guò)程中坩堝的抗熱炸裂能力的坩堝燒結(jié)工藝。以下介紹一種石英陶瓷生產(chǎn)工藝。
石英陶瓷產(chǎn)品主要使用的原料為熔融石英碎塊，其化學(xué)組成為：SiO2 98.25%;Al2O3 0.15%;FeO3 0.13% 游離碳0.21%;灼減 0.17%。選用的添加物原料為工業(yè)礦物或化學(xué)試劑，如：硼鎂石、硅硼鈣石、菱美礦、碳酸鋰、工業(yè)氧化鋁等。將熔融石英原料粉碎至全部通過(guò)100目篩，然后用200目篩進(jìn)行篩分，篩下物為細(xì)磨時(shí)的頭料，篩上物為二料。
放入球磨內(nèi)細(xì)碎，球磨為橡膠內(nèi)襯，以瑪瑙球?yàn)檠心ンw。達(dá)到細(xì)度要求的泥漿，用石膏模型，注漿成型，脫模后干燥坯體。浸漬的坯體在1100℃左右焙燒，形成較高的強(qiáng)度，浸漬液為泥漿靜置24小時(shí)后的上層膠溶體。配方中引入的添加物為不影響泥漿成型的性能，需將添加物各原料混磨后，經(jīng)980-1000℃高溫合成。燒結(jié)體壓碎后與頭料一起細(xì)磨。燒成要制訂嚴(yán)格的升溫曲線，燒成溫度為1200℃，止火時(shí)保溫重5分鐘。
原料細(xì)磨時(shí)，加料方式對(duì)注漿生坯密度及燒結(jié)的影響。實(shí)驗(yàn)證明，石英陶瓷的燒結(jié)機(jī)理主要是固相的表面擴(kuò)散與坯體擴(kuò)散，因此，提高坯體的密度和增加細(xì)顆粒比例有利于石英陶瓷的致密化。原料細(xì)碎采用二次加料方式有利于提高生坯密度和坯體燒結(jié)。這是因?yàn)橐淮渭恿蠒r(shí)大部分顆粒為中間顆粒，二次加料時(shí)中間尺寸顆粒含量較少，于是注漿成型過(guò)程中可產(chǎn)生較密聚的堆積，有較高的生坯密度。生坯密度大，顆粒間的接觸面積就大，為燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散提供了有利條件。同時(shí)，適當(dāng)延長(zhǎng)球磨時(shí)間，增加坯體中顆粒的比表面積，也可以促進(jìn)坯體的致密燒結(jié)。但球磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能改變?cè)虾侠淼念w粒分布，生坯密度反而降低，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控。
浸漬對(duì)石英陶瓷致密化的影響。浸漬液為二氧化硅的膠體溶液，主要由細(xì)小的熔融石英粒子和硅酸溶膠組成。因膠體溶液稠度較高，可加入電解質(zhì)改善其流動(dòng)性和滲透能力。浸漬分別在常壓和真空中進(jìn)行。常壓下浸漬時(shí)，由于坯體孔隙內(nèi)氣體阻礙，浸漬液很難滲透整個(gè)坯體，燒成后坯體表面的致密程度往往要比中心部位高。而在真空中浸漬，坯體內(nèi)氣體被排除，浸漬效果充分均勻，有效地提高了坯體的密度。坯體’浸漬后，化學(xué)組成沒(méi)有變化，浸漬前后坯體的燒成收縮基本一致。浸漬作用明顯地提高了坯體的密度和石英陶瓷的致密程度，而且不會(huì)影響石英陶瓷固有的良好熱穩(wěn)定性。
添加物對(duì)石英陶瓷致密化的影響。石英陶瓷致密燒結(jié)所需添加物應(yīng)具備以下兩個(gè)條件：(1)石英陶瓷的最高燒成溫度應(yīng)為：1200℃，提高燒成溫度時(shí)有明顯的方石英化，要求添加物有盡可能低的熔融溫度。(2)為保持石英陶瓷的性能，要求添加物形成的玻璃相有非常低的與無(wú)定形二氧化硅相匹配的熱膨脹系數(shù)。實(shí)驗(yàn)選擇的兩種添加物的配料組成范圍是：
Li2O-Al2O3-SiO2三元物系添加物，簡(jiǎn)稱L添加物，其組成范圍：Li2O：8～12 Al2O3：12～18 SiO2：70～80。
MeO-Al2O3-B2O3-SiO2四元物系添加物，簡(jiǎn)稱M添加物，其組成范圍：
堿土金屬氧化物(MgO、CaO、BaO等)：15～20 Al203)：8～12 B2O3：30～36 SiO2：40～55。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是M添加物，還是L添加物，加入量在5～7.5%時(shí)，均可以在1200℃燒成溫度中得到相對(duì)密度95%以上的致密燒結(jié)體。通過(guò)有、無(wú)添加物兩種坯體在燒結(jié)過(guò)程的變化，可以了解到石英陶瓷致密燒結(jié)的機(jī)理。燒成溫度在800℃以前，有添加物的石英陶瓷坯體沒(méi)有燒結(jié)跡象。超過(guò)800℃時(shí)，添加物開(kāi)始熔融，形成的液相玻璃充填在固相粒子之間，通過(guò)潤(rùn)濕和毛細(xì)血管力的作用，促使固態(tài)粒子緊密*攏。當(dāng)溫度在80-1100℃之間時(shí)，液相量逐漸增加，燒成收縮亦不斷增大。燒成溫度在重100Pdl200℃時(shí)，不僅液相玻璃與固相粒子間發(fā)生反應(yīng)，固相粒子的溶解使液相量有所增加，而且固態(tài)粒子間的物質(zhì)擴(kuò)散也很活躍，在這兩種燒結(jié)機(jī)理共同作用下，坯體進(jìn)一步致密化。在1200℃燒成溫度下，有添加物坯體的吸水率只有0.2-0.3%，而燒成收縮在9%左右。
無(wú)添加物坯體在1100℃溫度之前，無(wú)明顯燒結(jié)，坯體尺寸和氣孔率幾乎不變。溫度在1100℃以上時(shí)，固相粒子間由于擴(kuò)散作用而引起的致密化過(guò)程才活躍起來(lái)。由于無(wú)液相出現(xiàn)，所以在1200℃的燒成溫度下，坯體的燒成收縮很小，開(kāi)口氣孔率仍很大，燒結(jié)體的吸水率達(dá)2%以上，即還未能達(dá)到完全燒結(jié)。
石英陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度與致密燒結(jié)程度成正比。有添加物的坯體可以得到致密燒結(jié)體，機(jī)械強(qiáng)度普遍高于無(wú)添加物的石英陶瓷。而熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，盡管有添加物的石英陶瓷機(jī)械強(qiáng)度提高，但熱穩(wěn)定性有所下降，有添加物石英陶瓷的耐急冷急熱的溫度不超過(guò)800℃。
這是因?yàn)榕黧w中存在熱膨脹系數(shù)與無(wú)定形二氧化硅的熱膨脹系數(shù)相差較大的異相玻璃。另外，有添加物的石英陶瓷結(jié)構(gòu)中，氣孔率大大下降，不利于受熱沖擊而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的緩沖與吸收，也是熱穩(wěn)定性下降的輔助原因。
但無(wú)論如何，M添加物和L添加物石英陶瓷的抗熱沖擊性能比普通的日用強(qiáng)化瓷的抗熱沖擊能力高許多，不失為一種良好的耐熱陶瓷材料。
